CN101387439A - 热泵水箱系统 - Google Patents

Abstract

一种热泵水箱系统，包括压缩机、节流部件、蒸发器、水箱外壳、水胆、冷凝盘管管道和水胆底部法兰，冷凝盘管位于水胆内或位于水胆外，其特征在于：盘管管道外表面总面积与盘管管道总容积的比值在500/m以上，取最大设计值。本发明的热泵水箱系统，在具有同样管材的情况下，可以获得较大的散热面积与制冷剂容积比，并可采用更少的制冷剂充注量；应用该热泵水箱系统可以提高制冷剂流速，提高热交换系统的传热效率，增加系统的安全性能，具有良好的应用前景。

Description

热泵水箱系统

技术领域

本发明属于日用电器技术领域，特别涉及一种热泵水箱系统。

背景技术

空调热水器和热泵热水器为新兴日用电器，该类电器采用的热泵水箱作为热交换设备。目前的热泵水箱采用盘管作为冷却剂流通管道，盘管一般采用大于压缩机出口的单根或双根铜管螺旋式设置，盘管位于水箱内部或盘绕于水箱壳体内部水胆外，现有技术人员在设计热泵水箱时，普遍采用大于压缩机出口的单根或双根铜管螺旋式设置，只计算盘管的散热表面积而不考虑内部的容积率(面积容积比)，散热面积与内部容积的比值较小，要么散热面积偏小，换热效果差，要么增加管路长度或加粗管路时，内部容积也跟着增加，导致制冷剂充注量偏多，制冷效率低，并且还都使用光璧铜管，换热效率不高，盘管螺旋式设置时，通常采用上下垂直设置，使整个盘管成圆柱形，当热交换进行时，底层的盘管与上层盘管在同一垂直线上，换热效果较差。由于上下层之间相互连接或靠近，盘管本身的倾斜角度很小，不利于管内制冷剂的流动，其气液分离性也不好；热效率很低。

当盘管位于水箱内部时，盘管的进出口通过与法兰或水胆焊接密封连接水箱外部制冷设备，因焊点接触水箱内部的水，长时间使用后容易造成腐蚀。

发明内容

针对以上技术问题，本发明提供一种热泵水箱系统。

本发明的热泵水箱系统包括压缩机、节流部件、蒸发器、水箱外壳、水胆、冷凝盘管管道和水胆底部法兰，盘管位于水胆内或位于水胆外。其中冷凝盘管管道的设置，要求全部盘管管道外表面总面积与全部盘管管道总容积的比值在400/m以上。

在全部盘管管道外表面总面积满足散热条件后，尽量减少全部冷凝盘管管道内部总容积：即采用的单个盘管管道的截面积小于或等于压缩机出口截面积，并且压缩机出口连接不少于两个盘管管道并联设置，盘管管道为并联盘管，全部盘管管道的总截面积大于或等于压缩机出口截面积。

其中盘管管道为平行多孔金属排管、内螺纹管道或者非内螺纹管道，各盘管管道或平行多孔金属排管盘绕之间留有散热距离，冷凝盘管及水箱安装位置高于蒸发器时效果更好。

当盘管位于水胆外面时，将平行多孔金属排管的一个平面粘接在水胆外壁表面，采用导热胶或导热硅脂紧密粘接，自上而下并联螺旋环绕，各个盘管管道互相平行。

当并联盘管位于水胆内时，并联盘管的设置按立式水箱和卧式水箱设置。

其中热泵水箱为立式水箱时，并联盘管螺旋式设置整个并联盘管形成蛇形环绕、圆柱形或者圆锥形，各盘管管道互相之间留有散热距离。

热泵水箱为卧式水箱时，并联盘管设置成蛇形环绕式，盘型环绕式，V型盘绕式，各盘管管道互相之间留有散热距离。

为保证盘管系统在水箱内的牢固，在需要将盘管系统加强的情况下，先将并联盘管固定在金属支架上，然后再固定到水胆中。

当并联盘管位于水胆内时，并联盘管的各个盘管管道从螺旋状盘管体上通过水胆底部或底部法兰延伸到水胆外，并在水胆外部分与制冷设备不锈钢管道连接。其中水胆底部或法兰上设有管道孔，管道孔的周围设置环形凸起，环形凸起上带有外螺纹，环形凸起的上面通过螺纹连接螺母，螺母的中心带有圆孔，螺母和凸起之间有密封垫圈。各个连接的螺母和凸起上的管道孔和中心圆孔内径一致，并且并联盘管上的管道分别通过一套螺母和凸起，每个并联盘管上的管道的外径和该管道通过的凸起管道孔内径一致。盘管管道分别通过凸起延伸到水胆外，并在水胆外通过焊接连接到制冷设备管道上。使用时将螺母旋紧到凸起上，将管道和管道孔密封。

在水胆内容积一定的条件下，采用管道盘管并联的方式，可以减小制冷剂流动阻力，增加盘管管道的坡度，进而增加制冷剂的流速。当采用单个盘管作为制冷剂管道时，螺旋盘绕的总高度为H，管道总长为L，则坡度P为H/L，当采用并联盘管时，在同样的空间内设置同样总长度相同的并联盘管，并联盘管单个管道坡度为P＝H/(L/N)，其中N为并联的盘管管道个数，并联的盘管越多，管道的坡度越大，越有利于制冷剂流动。通过增加并联管道数量，增加制冷剂盘管管道坡度，其中坡度为盘管管道系统的高度与单个盘管管道长度的比值，该比值大于0.05。

当盘管管道位于水胆内时，盘管管道为设有散热片的盘管管道，具有较大的热交换面积。本发明中散热片的安装方法为：将带有圆孔的散热片套在盘管管道上，通过机械充胀原理，将管道内部拉伸出螺纹，并将散热片固定在盘管外壁上，再将带有散热片的盘管管道按上面叙述的方式安装在水箱水胆内。

实践中发现，热泵水箱等设备的盘管系统散热面积不变的情况下，增加盘管系统的总表面积和盘管系统总容积比，可以有效提高盘管系统的工作效率。在盘管管道壁厚满足工作强度的条件下，减少各盘管管道内的容积，同时并联盘管的总截面积不小于压缩机出口的截面积，与采用一个盘管管道相比，消耗同样的管材，采用同等体积的制冷剂，盘管系统的总表面积和盘管系统总容积比越大，工作效率越高。因此在增加盘管系统总散热面积的同时，还需要增加单位制冷剂所在管道容积所对应的散热面积。按盘管管道为圆管计，当盘管内半径为r，壁厚为H，单个盘管管道长度为L时，盘管管道内容积V为πr²L，盘管管道外表面总面积S为π(r+H)L，盘管管道外表面总面积和容积之比(面积容积比)Q＝S/V＝π(r+H)L/πr²L＝(r+H)/r²；当盘管管道上增加散热片时，散热片段面积为S₁，则面积容积比Q＝(S+S₁)/V＝[A+π(r+H)L]/πr²L。在采用相同材料和使用同量的制冷剂条件下，采用面积容积比大的方式设置盘管管道可以在增大换热面积的同时降低制冷剂充注量，提高热交换系统的工作效率。因此采用管道截面积小的盘管管道并联，当总截面积与原有的单个管道截面积相同且管壁厚度相同时，传热效率更高，而采用的总管材相同。

当采用平行多孔金属排管时，每个孔的截面积为，单根排管的宽度为B，单根排管长度为L，粘贴于水箱内胆表面时，排管与排管之间的辅助散热面积为S2＝排管之间距离F×导热系数为P×L，，散热面积为：S＝(B×L+PS2)×N，其中N为并联的根数。内部容积为：单孔截面积Y×每个排管的孔数E×单根排管的长度L×并联派管的根数N。

则面积容积比Q＝(B×L+PS2)×N/YELN＝(B×L+PF×L)/YEL＝(B+PF)/YE，取最大值。

本发明中，采用截面积小于压缩机出口的冷凝盘管管道作为制冷剂通道，将两个以上的盘管管道并联设置，在冷凝盘管管道总长度一定和消耗管材一定的情况下，减少了制冷剂的流动路程，增大了制冷剂的流动坡度，有利于制冷剂的气液分离加速流动，提高了单位容积制冷剂所对应的散热面积，并且由于缩小了盘管管道的内径，使制冷剂与盘管管壁距离更短，传热效率更高。通过在盘管管道上增加散热片的方法，可以简单大幅度提高散热表面积；当整体盘管管道采用圆锥形设置时，上下层之间的管道不处于同一圆柱面上，当换热发生后，各管壁上因热交换产生对流的水不能相互混合，使换热效果更好，传热效率更高；采用铜管延伸出水胆外的设置方法，使水胆内的铜管没有与不锈钢法兰的焊接点，可以有效的避免铜-不锈钢焊接点被水腐蚀损坏，提高了水箱的安全性，延长水箱的使用寿命。

本发明适用于空调热水器和热泵热水器以及冰箱热水器、热泵采暖系统，也可以应用于其它类似的热交换设备。本发明的热泵水箱系统，在具有同样管材的情况下，可以获得较大的散热面积与制冷剂容积比，并可采用更少的制冷剂充注量；应用该热泵水箱系统可以提高制冷剂流速，提高热交换系统的传热效率，增加系统的安全性能，具有良好的应用前景。

附图说明

图1为本发明实施例1中的空调热水器I的热泵水箱示意图；图中1、热泵水箱I外壳，2、水胆I，3、水胆I底部法兰，4、锥形并联冷凝盘管，5、锥形支架，6、制冷剂进口I，7制冷剂出口I，8热水出口I，9冷水进口I。

图2为本发明实施例2中的热泵热水器II的热泵水箱示意图；图中10、热泵水箱II外壳，11、水胆II，12、平行多孔铝排管II，13、制冷剂出口II，14、制冷剂进口II，15、热水出口II，16、冷水进口II。

图3本发明实施例3中的热泵热水器III的热泵水箱示意图；图中17、热泵水箱III外壳，18、水胆III，19、平行多孔铝排管III，20、热水出口III，21、冷水进口III，22、制冷剂出口III，23、制冷剂进口III。

图4为本发明实施例2中的抛面粘接示意图；图中12、平行多孔铝排管II，24、水胆II外壁，25、导热胶，26、多孔铝排管管口。

图5为本发明实施例1中的水胆底部法兰示意图；图中：3、水胆I底部法兰，27、盘管管道，28、螺母，29、密封垫圈，30、环形凸起。

图6为本发明实施例4中的卧式空调热水器示意图；图中31、卧式空调热水器外壳，32、水胆IV，33、并联盘管IV，34、制冷剂进口IV，35、制冷剂出口IV，36、热水出口IV，37，冷水进口IV，38、支架IV。

图7为图5的A-A面示意图；图中31、卧式空调热水器外壳，32、水胆IV，33、并联盘管IV，38、支架IV。

具体实施方式

以下为本发明优选实施例。

本发明中平行多孔金属排管选用平行多空铝排管。

实施例1

选用的设备为空调热水器，型号为SR-2600/100L

制冷设备输入功率为880W，制冷量：2600W，热泵制热量：3100W。

热泵水箱如图1所示，锥形并联冷凝盘管4由三个管道组成，固定在锥形支架5上，在水胆I2内螺旋式设置，锥形并联冷凝盘管4为圆锥形，锥形并联冷凝盘管4上的各管道通过水胆I底部法兰3延伸到水箱水胆I2外，并在水箱水胆I2外与制冷设备(包括压缩机、节流部件和蒸发器)的不锈钢管道焊接连接。水胆I底部法兰3的密封方式如图5所示，盘管管道27穿过水胆I底部法兰3，带有螺纹的环形凸起30上为密封垫圈29和螺母28，通过将螺母28和密封垫圈29旋紧在环形凸起30上，其中盘管管道27的外径与环形凸起30、密封垫圈29、螺母28的内径一致。

所用的锥形并联盘管4为内螺纹铜管。

锥形并联盘管4和锥形支架5的固定方式为：用金属片将锥形并联盘管4压在锥形支架5上，然后用螺钉将金属片和锥形支架5固定在一起。采用的金属片为不锈钢片或铜片，支架材质为不锈钢。

锥形并联盘管4的每个盘管管道外径为6.35mm，管壁厚度为0.55mm，内螺纹齿高0.22mm，单个盘管管道长度L为10m，并联盘管4的总长为10m×3根＝30m，盘绕高度H为0.7m，管壁外表面总面积S为0.598m²，管内容积V为674cm³，计算得：Q＝S/V＝887.2/m，坡度P＝H/3L＝0.07，制冷剂充注量：720g，通过等温环境试验，该设备的热泵热水效率COP＝5.0。

其中压缩机出口截面积为0.384cm²，单个盘管管道截面积为0.225cm²，并联盘管总截面积为0.674cm²。

而现行技术普遍采用的外径12.7mm，管壁厚为0.55mm，长度L为15m，盘绕高度H为0.7m，散热面积S为0.598m²，管内容积V为1611cm³，计算得：S/V＝371/m，坡度P＝H/L＝0.046，制冷剂充注量：1300g，通过等温环境试验，COP＝3.3。

通过试验，二种方案铜材用量基本相等，改进后的空调热水器比现有技术设置方式COP值提高了1.7，还节省了680g制冷剂。

实施例2

选用的设备为热泵热水器，型号为SR-2600/150L。

设备输入功率为770W，热泵制热量：2600W。

热泵水箱如图2所示，并联盘管由4根平行多孔铝排管II 12组成，每根排管长度L为10米，总长为40m，在水胆II 11外部螺旋式盘绕，上边4个端口焊接在一根管路上连接到热泵水箱II外壳10外，为制冷剂进口II 14，下部4个端口焊接在一根管路上连接到热泵水箱II外壳10外，为制冷剂出口II13，上下端头部分用环氧导热胶粘接在水胆壁上，平行多孔铝排管II 12缠绕部分用有机硅导热胶与水胆外壁进行粘接，如图4所示，图中24为水胆II外壁，25为有机硅导热胶，26为多空铝排管管口。

平行多孔铝排管II 12的端面尺寸为：20×2mm，9孔，壁厚0.5mm，盘绕高度H为0.7m，平行多孔铝排管II 12的一个平面与水胆连接，连接后总等效面积S为0.8m，管内容积V为569cm³，计算得：S/V＝1405/m，坡度P＝H/(L/N)＝0.63，制冷剂充注量：720g，通过等温环境试验，该设备的热泵热水效率COP＝5.1。

其中压缩机出口截面积为0.384cm²，单个盘管管道截面积为0.0017cm²，并联盘管总截面积为0.569cm²。

而现行技术的外径12.7mm，管壁厚为0.55mm，长度L为30m，盘绕高度H为0.7m，管壁与水胆连接后总等效面积S为0.598m，管内容积V为1584cm³，计算得：S/V＝371/m，坡度P＝H/L＝0.023，制冷剂充注量：1550g，通过等温环境试验，COP＝3.2。

通过试验，前者铝材用量低于后者铜材用量，成本大幅度降低，还节省了830g制冷剂，改进后的空调热水器比现有技术设置方式COP值提高了1.9。

实施例3

选用的设备为热泵空调热水器，型号为SR-5100/100L。

设备输入功率为1800W，制冷量：5100W，热泵制热量：7200W。

热泵水箱如图3所示，由2个水胆III18并接组成，每个水胆外部并联盘绕2根平行多孔铝排管III19，每根排管长度L为10米，总长为40m，在水胆III18外部螺旋式盘绕，上边4个端口焊接在一根管路上连接到热泵水箱III外壳17外，为制冷剂进口III23，下部4个端口焊接在一根管路上连接到热泵水箱III外壳17外，为制冷剂出口II22，上下端头部分用环氧导热胶粘接在水胆壁上，平行多孔铝排管缠绕部分用有机硅导热胶与水胆外壁进行粘接，粘接方式同实施例2。

平行多孔铝排管的端面尺寸为：40×2mm，18孔，壁厚0.5mm，盘绕高度H为1.5m，多孔铝排管的一个平面与水胆外表面用导热胶连接，连接后总等效面积S为1.6m，管内容积V为1060cm³，计算得：S/V＝1496/m，坡度P＝H/(L/N)＝0.63，其中压缩机出口截面积为0.384cm²，单个盘管管道截面积为0.0017cm²，并联盘管总截面积为1.06cm²。

制冷剂充注量：1550g，通过等温环境试验，该设备的热泵热水效率COP＝4.6。

而现行技术尚上没有该技术方案应用于空调热水器、热泵热水器的先例。

实施例4

选用的设备为空调热水器，型号为SR-2600/100L

制冷设备输入功率为880W，制冷量：2600W，热泵制热量：3100W。

热泵水箱如图5和图6所示，并联盘管IV33由二个管道组成，固定在支架IV38上，在水胆IV 32内螺旋式设置，整个并联盘管IV33为平行倾斜状，各管道进出口通过水胆IV32底部延伸到水胆IV 32外，并在水胆IV 32外并联后与制冷设备(包括压缩机、节流部件和蒸发器)的铜管道焊接连接。水胆IV 32底部的密封方式同实施例1。

其中并联盘管IV 33和支架IV 38的固定方式为：用金属片将并联盘管IV 33压在支架IV 38上，然后用螺钉将金属片和支架IV 38固定在一起，支架材质为不锈钢。

并联盘管IV 33的每个盘管管道外径为6.35mm，管壁厚度为0.50mm，内螺纹齿高为0.22mm，并联盘管4的总长L为30m，盘绕高度H为0.2m，管壁外表面总面积S为0.598m²，管内容积V为674cm³，计算得：Q＝S/V＝887.2/m，坡度P＝H/2L＝0.013，制冷剂充注量：720g，通过等温环境试验，该设备的热泵热水效率COP＝5.0。

其中压缩机出口截面积为0.36cm²，单个盘管管道截面积为0.225cm²，并联盘管总截面积为0.45cm²。

而现行技术的热泵热水器尚没有开发出横装结构的水箱，更没有本发明所述低制冷剂充注量的高效横装水箱。

Claims (10)

1、一种热泵水箱系统，包括压缩机、节流部件、蒸发器、水箱外壳、水胆、冷凝盘管管道和水胆底部法兰，冷凝盘管位于水胆内或位于水胆外，其特征在于：所述的冷凝盘管管道的设置，要求全部冷凝盘管管道外表面总面积与全部盘管管道总容积的比值在500/m以上，取最大允许设计值。

2、根据权利要求1所述的一种热泵水箱系统，其特征在于所述的盘管管道为并联设置，单个盘管管道的截面积小于或等于压缩机出口截面积，并且压缩机出口连接不少于两个盘管管道或多孔金属排管并联设置，盘管管道为并联盘管或多孔金属排管，全部盘管管道或多孔金属排管的总截面积大于或等于压缩机出口截面积。

3、根据权利要求1所述的一种热泵水箱系统，其特征在于当冷凝盘管位于水胆外时，冷凝盘管管道为并联盘管或平行多孔金属排管，并且并联盘管为至少带有一个平面的盘管，并联盘管或平行多孔金属排管的一个平面贴在水胆表面，并联盘管或平行多孔金属排管螺旋环绕，各个盘管或者多孔金属排管之间互相平行，各盘管或者多孔金属排管之间留有散热距离，各盘管管道或者多孔金属排管首端连接，各盘管管道或者多孔金属排管尾端互相连接。

4、根据权利要求1所述的一种热泵水箱系统，其特征在于当冷凝盘管位于水胆内且采用并联盘管时，并联盘管的设置按立式水箱和卧式水箱两种情况设置，当热泵水箱为立式水箱时，并联盘管螺旋式设置，形成圆柱形或者圆锥形，各盘管管道之间留有散热距离；当热泵水箱为卧式水箱时，并联盘管设置成蛇形环绕式，盘型环绕式，V型盘绕式，各盘管管道之间留有散热距离。

5、根据权利要求4所述的一种热泵水箱系统，其特征在于当并联盘管设置成盘型环绕式，V型盘绕式、圆锥形或者蛇形环绕时，为保证盘管系统在水箱内的牢固，在需要将盘管系统加强的情况下，先将并联盘管固定在金属支架上，然后再设置到水胆中。

6、根据权利要求4所述的一种热泵水箱系统，其特征在于当并联盘管设置成圆锥形时上下层之间的管道不处于同一圆柱面上。

7、根据权利要求1所述的一种热泵水箱系统，其特征在于所述的冷凝盘管管道为平行多孔金属排管、内螺纹管道或者非内螺纹管道，各管道盘绕之间留有散热距离。

8、根据权利要求4所述的一种热泵水箱系统，其特征在于当盘管位于水胆内且采用并联盘管时，并联盘管的各个盘管管道从水胆侧部或水胆底部法兰延伸到水胆外，并在水胆外并联焊接后与制冷设备的管道连接。

9、根据权利要求4所述的一种热泵水箱系统，其特征在于当冷凝盘管位于水胆内且采用并联盘管时，水胆底部法兰或水胆上设有管道孔，管道孔的周围设置环形凸起，环形凸起上带有外螺纹，环形凸起的上面通过螺纹连接螺母，螺母的中心带有圆孔，螺母和凸起之间有密封垫圈；各个连接的螺母和凸起上的管道孔和中心圆孔内径一致，并且并联盘管上的管道分别通过一套螺母和凸起，每个并联盘管上的管道的外径和该管道通过的凸起管道孔内径一致；并联盘管上的盘管管道分别通过凸起延伸到水胆外，并在水胆外通过焊接连接到制冷设备上；使用时将螺母旋紧到凸起上，将管道和管道孔密封。

10、根据权利要求3所述的一种热泵水箱系统，其特征在于并联管道或平行多孔金属排管增加并联设置数量时，制冷剂盘管管道坡度增加，其中坡度为盘管管道或平行多孔金属排管系统的高度与单个盘管管道或多孔金属排管长度的比值，该比值大于0.05，取最大允许设计值。

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